畢業(yè)設計（論文）PLC機械手設計

1、機械手plc控制設計題目：機械手的plc控制機械手及其應用總體方案選擇驅動系統(tǒng)方案選擇控制方式選擇驅動系統(tǒng)設計plc控制系統(tǒng)設計參考文獻及設計心得設計：魏超指導：王富春班級：09機電一班時間：2011.82011.9 一、 設計題目1、任務：機械手抓取工件，提高300 mm，右轉180度，伸出300mm放下工件，左轉180度，回到原位置，然后循環(huán)做上述動作。2、工件尺寸：40mm40mm40mm 工件重量：0.5kg工作空間：8000mm800mm800mm3、動力源： 220v 5a 24v 氣壓源4、控制：plc，電磁閥，光電傳感器 圖.1二、機械手及其應用機械手是一種能模擬人的手臂的部分

2、動作，按預定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。機械手的特點：（1）對環(huán)境的適應性強 能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。（2）機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。（3）由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質量，同時又可以避

3、免人為的操作錯誤。（4）機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。因此采用機械手最明顯的特點是提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。例如：在機床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調重復易于疲勞的工作

4、環(huán)境以及在危險場合下工作等。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，工業(yè)機器人與機械手的應用范圍不斷擴大，其技術性能也在不斷提高。在國內，應用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機器人特別是示教再現(xiàn)性機器人不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。在國外應用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機器人多為示教再現(xiàn)型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人是工業(yè)機器人技術的發(fā)展方向。三、總體方案要執(zhí)行的詳細的動作為：（1）定位 （2）下降（3）夾緊 （4）上升 （5）右轉180 （6）下降 （7）松開 （8）上升 （9）左轉180（10）原點，完成一個工作循環(huán)。 本

5、機械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，其結構如上圖所示。由1、2兩個氣缸缸完成工件的加緊和提升的動作。1號氣缸通過一個單線圈的二位電磁閥控制工件的夾緊、放松，2號氣缸通過一個雙線圈的二位電磁閥控制工件的上升、下降，由底盤電動機帶動底盤旋轉。當工件在傳送帶a上運行時，并且到傳送帶a的端部的時候，光電開關檢測到有物體存在的時候，傳送帶a停止,2氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關sq3，1氣缸的驅使手爪夾緊工件，延時2秒后。 2氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機旋轉180后，其到達b傳送帶的上方時，3氣缸活塞伸出，帶動橫軸前伸，同

6、時2氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關sq3，1氣缸的驅使手爪放松工件，延時2秒 后。2氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機旋轉180后，其到達a傳送帶的上方時 一次的搬運過程就完成。原點下降夾緊上升右移下降松開上升左移圖.2四、驅動系統(tǒng)方案選擇一般情況下機器人驅動系統(tǒng)的選擇大致按照如下原則進行選擇：1）物料搬運用有限點位控制的程序控制機器人，重負載用液壓驅動，中等載荷可選用電動驅動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多用氣動驅動系統(tǒng)。2）用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅

7、動系統(tǒng)，需采用液壓驅動或電動驅動系統(tǒng)方能滿足要求。按照動力源分為液壓、氣壓和電動三大類，根據(jù)需要，也可以將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。液壓驅動 液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。氣壓驅動 具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中。難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中，在上下料和沖壓機械手中應用較多。電動驅動 隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅動器的廣泛采用，這種驅動系統(tǒng)被大量選用。目前廣泛采用的驅動系統(tǒng)的比較如下表：特性輸出功率和使用范圍控制性能和

8、安全性結構性能安裝和維護要求效率和制造成本氣壓驅動氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結構尺寸將過大只適用于小型，快速驅動壓縮性大，對速度、位置精確控制困難。阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音結構體積較大，結構易于標準化。易實現(xiàn)直接驅動，密封問題不突出安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，維護方便效率低，（為0.150.2）氣源方便，結構簡單，成本低液壓驅動油壓高，可獲得較大的輸出功率，適用于重型，低速驅動器液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應靈敏，可無級調速、能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏對環(huán)境污染結構較氣動要小，易于標準化，易實現(xiàn)直接驅動，密封問題顯得重要安裝要求高（防泄漏）

9、，要配置液壓元設備，安裝面積大，維護要求較高效率中等為0.30.6，管路結構較復雜，成本高交直流普通電動機適用于抓其重量較大而速度低的中、重型機器人的驅動 輸出力較大控制性能差，慣性大，不易精確定位對環(huán)境無影響電動機驅動以實現(xiàn)標準化，需減速裝置，傳動體積較大安裝維修方便成本低效率為0.5左右步進、伺服電動機步進電動機輸出力較小、伺服電機可大一些適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響體積小，需減速裝置維修使用較復雜成本較高效率為0.5左右表.1綜合考慮以上驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及工作要求，選擇氣動驅動跟步進電機系統(tǒng)混合作為驅動方式。氣

10、動機械手裝置如圖1所示，主要由機械手抓緊放松夾緊裝置、上下氣動移行裝置、底座及各電氣、氣動元件和傳感器等組成。工作過程如下,從圖1 所示的原始位置開始,升降氣缸1向下移動氣動夾緊機構3 并夾緊a 處之物料塊,然后向上移動。到位后,氣動夾緊機構連同升降氣缸向右移動,升降氣缸2 向下移動氣缸,最后夾緊機構3 放松即將物料塊放到b處,然后沿相反方向使機械手處于原始位置。為下一個工作周期準備,以實現(xiàn)循環(huán)。此裝置能夠實現(xiàn)物料在一個平面內的搬運。上下移動氣缸2 行程為710mm ,為了防止工件偏移,上下移動氣缸2 的缸體上各安裝了兩個磁性開關用于上下極限位置的檢測;在傳送帶a這邊安裝了光電感應開關用于有無

11、工件(物料塊) 檢測。1） 氣源壓縮機的設計原理，氣源裝置的組成和布置示意圖，如圖9圖3 1.空壓機2.冷卻器3.油水分離器4.儲氣罐5.干燥器6.過濾器7.儲氣罐8.加熱器9.四通閥 氣源裝置一般由四部分組成，即空氣壓縮機；壓縮空氣的凈化、貯存裝置；管道系統(tǒng)和氣動三大件。在 圖六中，空氣壓縮機1是用來產(chǎn)生壓縮空氣的?？諝鈮嚎s機 的吸氣口裝有過濾器，可以減少進入空氣壓縮機內的氣體的灰塵。后冷卻器2用來冷卻空氣壓縮機排出的高溫氣體，使汽化的水和油凝結出來。油、水分離器3用來分離并排出凝結出來的水滴、油滴和雜質等。貯氣罐4和7用來貯存壓縮空氣，穩(wěn)定壓縮空氣的壓力，同時使壓縮空氣中的部分油分和水分沉

12、積在貯氣罐底部以便除去。干燥器5用來進一步吸收壓縮空氣中油分和水分，使之成為干燥空氣。過濾器6用來進一步過濾壓縮空氣中的灰塵、雜質和顆粒。氣動傳動裝置由原動機驅動空氣壓縮機通過管道的輸送氣來控制2）左右轉動驅動裝置的選擇 底座驅動動力源選擇2-e系列三相異步電動機2-e系列電動機是在y2系列電機基礎上派生設計的高效節(jié)能電動機，整個系列的電機效率高于普通y2系列電機效率，其外形美觀，高效、節(jié)能，絕緣等級為f級，防護等級為ip54或ip55，電機噪聲和振動小、運行可靠。在異步電動機的定子鐵心里，嵌放著對稱的三相繞組ax、by、cz。 工作原理：異步電動機三相對稱定子繞組中通入三相交流電產(chǎn)生旋轉磁場

13、，轉子導體切割定子旋轉磁場而產(chǎn)生感應電動勢及感應電流，轉子載流導體在定子旋轉磁場中受電磁力作用，形成電磁轉矩，拖動轉子沿旋轉磁場方向轉動起來，從而實現(xiàn)了電能與機械能的轉換。當向三項定子繞組中通過入對稱的三項交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉速n1沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉的旋轉磁場。由于旋轉磁場以n1轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產(chǎn)生感應電動勢（感應電動勢的方向用右手定則判定）。由于導子導體兩端被短路環(huán)短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產(chǎn)生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。電磁

14、力對轉子軸產(chǎn)生電磁轉矩，驅動轉子 沿著旋轉磁場方向旋轉。 通過plc控制交流接觸器，改變三相異步電動機的運動方向，從而實現(xiàn)機械手的左右轉。 選擇上海普邦傳感器有限公司生產(chǎn)的b系列的光電開關（對射式）的光電傳感器，如圖4: 實物圖 尺寸圖圖.4具體說明如表格1感應方式對射式檢測距離（mm）15m標準探測物r15mm以上的不透明物體響應時間3ms工作電壓（v）dc12.24v允許波動10%以下消耗電流（m a）20m a負載電流（m a）200m a工作溫度（c）10到+55輸出類型npn、pnp集電極開路輸出表.2對射式光電開關安裝原理圖.5 選用42系列兩相混合式步進電機型號42hs02基本參

15、數(shù)如下表：model no.相數(shù)步距角保持轉矩額定電流相電感相電阻引線數(shù)量轉子慣量定位轉矩電機重量機身長軸端長()n.mamhohmg.cm2g.cmkgmmmm42hs0221.80.220.42112.54571500.244021表.3步進電機型號42hs02原理接線圖，如圖.圖.5步進電機型號42hs02實物圖，如圖5： 圖.6 plc機型的選擇首先，plc的選擇plc的選擇主要應從plc的機型、容量、i/o模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力、廠家的選擇等方面加以綜合考慮。 plc機型的選擇 plc機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價

16、格比。選擇時主要考慮以下幾點：(一) 合理的結構型式 plc主要有整體式和模塊式兩種結構型式。 整體式plc的每一個io點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式plc的功能擴展靈活方便,在io點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、io模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。(二)安裝方式的選擇 plc系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程io式以及多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程io硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程io式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程io可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設

17、驅動器和遠程io電源；多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型plc，但必須要附加通訊模塊。(三) 相應的功能要求 一般小型(低檔)plc具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。(四) 響應速度要求 plc是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次plc的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用plc，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮plc的響應速度，可選用具有高速io處理功能的plc，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的plc等。終上所述，結合本課題的實際情況。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出

18、接點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對plc進行監(jiān)控和管理，故選用西門子s7-3006es7 312-1ae13-0ab0cpu312電源cpu312 6es7 321-1bh02-0aa0輸入模塊（16點，24vdc）輸入模塊，6es7 321-1ff01-0aa0輸入模塊（8點，120/230vac）輸出模塊的plc.圖.7五、控制方式選擇5.1.1功能按鈕概述 機械手的全部動作由氣缸驅動,而氣缸又由相應的電磁閥控制。其中,上升/ 下降、左移/ 右移分別由兩位電磁閥控制，夾緊由單位電磁閥控制，放松就由彈簧控制。當下降電磁閥通電時,機械手下降;當下降電磁閥斷電時,機械手下降

19、停止。當上升電磁閥通電時,機械手上升;當上升電磁閥斷電時,機械手上升停止。同樣,左移/ 右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。同樣，機械手放松和抓緊分別由放松電磁閥和抓緊電磁閥控制。為確保機械手的安全，必須在夾緊時延時2s鐘，保證機械手能順利抓緊物品和在放松時延時2s鐘，保證機械手能順利把物品放下。機械手的動作過程如圖2 所示: (1) 從原點開始下降; (2) 吸引工件,延時2 秒; (3) 上升; (4) 右移; (5) 下降; (6) 放下工件,延時2 秒; (7) 上升; (8)左移,返回原點，電路控制通過plc實現(xiàn)。系統(tǒng)輸入信號有1個啟動按鈕，4個限位開關，1個工件檢測信號，及一個停

20、止，一個下降、夾緊、上升、縮回、伸出、放松共13個數(shù)字輸入信號，輸出信號有機械手上升/下降驅動信號、左移/右移驅動信號和機械手夾緊/放松驅動信號，共有6個數(shù)字輸出信號。機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表如下表3：名稱代號輸入名稱代號輸出啟動sb1i0.0下降cy1q0.0下限行程sq3i0.1夾緊cy2q0.1上限行程sq4i0.2上升cy3q0.2縮回行程sq2i0.3縮回cy4q0.3伸出行程sq1i0.4伸出cy5q0.4工件檢測sq5i0.5放松cy6q0.5停止sb2i0.6下降sb3i1.3夾緊sb4i1.7上升sb5i1.4縮回sb6 i1.5伸出sb7i1.6放松sb8i2.0.

21、表.4圖.85.2.1 控制程序設計該機械手控制程序較復雜，運用模塊化設計思想，采用“化整為零”的方法，將機械手控制程分為：公用程序、手動程序和自動程序，分別編出這些程序段后，再“積零為整”，用條件跳轉指令進行選擇，該控制程序運行效率高，可讀性好。 1) 手動程序手動程序分為點動控制和單步控制兩部分，手動操作不需要按工序順序動作，按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖如圖所示。手動按鈕i1.3、i1.4、i0.2(i1.5、i1.6)、i1.7、i2.0分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、放松和回原點各個動作。為了保證系統(tǒng)的安全運行設置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的梯形圖中加入了i0

22、.2作為上限連鎖，因為機械手只有處于上限位置時，才允許左右移動，由于夾緊、放松、動作是用二位五通電磁換向閥的cy3-1電磁線圈控制，故在梯形圖中用“置位”、“復位”指令，使之有保持功能。以下是手動操作程序梯形圖，如圖11：圖.92) 自動程序由于自動操作的動作較復雜，采用順序功能圖設計法設計程序，根據(jù)順序功能圖可以方便的轉換為梯形圖程序，其順序功能圖12所示：圖.10設計小結系統(tǒng)總結：可編程控制器plc以其豐富的i/o接口模塊、高性能性，在機械手控制系統(tǒng)的設計中起到了十分重要的作用，但是在plc控制的過程中，還有許多問題需要解決，本文就機械手自動控制系統(tǒng)的過程中的硬件的選擇與設計以及軟件的編程中的幾項關鍵問題提出了自己的一些看法，經(jīng)實踐證明，可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對plc讀、寫，事件響應等通信時間可進行精確控制，取到了良好的效果。在系統(tǒng)設計過程中，我遇到了很多設計方面的問題。為了弄懂相關的知識，掌握相關技術，我查閱了大量書籍，并積極利用互聯(lián)網(wǎng)豐富的資源找取答案，從中收獲了很多。從這次設計中我有了很深的體會，任何事情都不是一蹴而就的，都是要付出很艱辛的努力。個人小結通過畢業(yè)設計，我又學到了許多知識，并使我以前所學的知識得到一次綜合的